十七、TCP编程

  TCP 编程是网络通信的核心，其 API 围绕面向连接的特性设计，涵盖服务端和客户端的交互流程。以下是基于 ​C 语言的 TCP 编程核心 API 及使用流程的详细解析：

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  核心 API 概览

​函数	​角色	​描述
socket()	通用	创建套接字，指定协议族（IPv4/IPv6）和类型（SOCK_STREAM）。
bind()	服务端	将套接字绑定到特定 IP 地址和端口。
listen()	服务端	将套接字设为监听模式，等待客户端连接请求。
accept()	服务端	接受客户端连接，返回用于通信的新套接字。
connect()	客户端	客户端主动连接服务端。
send()/write()	通用	发送数据（TCP 保证数据顺序，可能拆包/粘包）。
recv()/read()	通用	接收数据（需处理部分读取和缓冲区管理）。
close()	通用	关闭套接字，终止连接。
shutdown()	通用	优雅关闭连接（可选关闭读/写方向）。

1、socket函数

函数原型与头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);

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  参数详解

  domain（协议族/地址族）​

  定义通信使用的协议族，常见值包括：

​值	​描述
AF_INET	IPv4 协议（最常用）
AF_INET6	IPv6 协议
AF_UNIX/AF_LOCAL	本地进程间通信（UNIX 域套接字）
AF_PACKET	底层数据包接口（如原始以太网帧捕获）

  如果是IPV6编程，要使用struct sockddr_in6结构体（man 7 IPV6）,通常使用struct sockaddr_storage来编程。

  type（套接字类型）​

指定数据传输的语义，常用类型：

​值	​描述
SOCK_STREAM	面向连接的流式套接字（TCP，可靠传输）
SOCK_DGRAM	无连接的数据报套接字（UDP，尽最大努力交付）
SOCK_RAW	原始套接字（直接访问 IP/ICMP 等协议）

protocol（具体协议​）

通常设为 0，表示根据 domain 和 type ​自动选择默认协议。例如：

• SOCK_STREAM 默认使用 IPPROTO_TCP
• SOCK_DGRAM 默认使用 IPPROTO_UDP

若需显式指定协议，可用：

​值	​描述
IPPROTO_TCP	强制使用 TCP 协议
IPPROTO_UDP	强制使用 UDP 协议
IPPROTO_ICMP	用于原始套接字的 ICMP 协议

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返回值

• ​成功：返回一个非负整数​（套接字文件描述符），后续操作（如 bind, connect）均基于此描述符。
• ​失败：返回 -1，并设置 errno 表示错误原因（如 EACCES, EAFNOSUPPORT）。

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典型使用场景

创建 TCP 套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

• 用于 HTTP、FTP 等需要可靠传输的应用。

​创建 UDP 套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

• 用于 DNS 查询、实时音视频传输等场景。

创建原始套接字（需 root 权限）​
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

• 可手动构造 IP 或 ICMP 头部，用于网络探测工具（如 ping）。

2、bind函数

  bind() 函数是网络编程中用于将套接字（socket）​与特定的IP地址和端口绑定的关键步骤，常用于服务端设置监听地址。以下是 bind() 的详细解析，包含函数原型、参数解释、使用示例及常见问题：

函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

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参数

​参数	​类型	​描述
sockfd	int	已创建的套接字描述符（由socket()返回）
addr	struct sockaddr*	指向保存绑定地址信息的结构体指针（需根据协议族填充对应的结构类型）
addrlen	socklen_t	地址结构体的长度（字节数）

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地址结构体

​1. IPv4 地址结构 (struct sockaddr_in)
struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family;   // 地址族（如 AF_INET）in_port_t      sin_port;     // 端口号（需用 `htons()` 转换字节序）struct in_addr sin_addr;     // IPv4 地址（需用 `inet_pton()` 或 `htonl(INADDR_ANY)`）unsigned char  sin_zero[8];  // 填充字段（一般置零）
};struct in_addr {uint32_t s_addr;            // 32位 IPv4 地址（网络字节序）
};

​2. IPv6 地址结构 (struct sockaddr_in6)
struct sockaddr_in6 {sa_family_t     sin6_family;   // 地址族（AF_INET6）in_port_t       sin6_port;     // 端口号（网络字节序）uint32_t        sin6_flowinfo; // IPv6 流信息（通常为0）struct in6_addr sin6_addr;     // IPv6 地址uint32_t        sin6_scope_id; // 接口范围标识符（用于本地链路地址）
};struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16];     // 128位 IPv6 地址
};

​3. 通用地址结构 (struct sockaddr)
struct sockaddr {sa_family_t sa_family;  // 地址族（AF_xxx）char        sa_data[14];// 具体地址数据（由子结构展开填充）
};

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  使用场景与示例

​1. 服务端绑定 IP 和端口
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd == -1) { perror("socket"); exit(1); }// 允许地址重用（避免服务端重启时 bind 失败）
int optval = 1;
setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));struct sockaddr_in addr = {0};
addr.sin_family = AF_INET;                       // IPv4
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);        // 绑定所有本地 IP
addr.sin_port = htons(8080);                     // 绑定端口 8080if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {perror("bind");close(server_fd);exit(1);
}// 后续可调用 listen() 启动监听

​2. 客户端绑定特定源地址
int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in client_addr = {0};
client_addr.sin_family = AF_INET;
client_addr.sin_port = htons(12345);             // 指定客户端端口
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &client_addr.sin_addr); // 指定源 IPbind(client_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr));
connect(client_fd, server_addr, sizeof(server_addr));

3、listen函数

函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);

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  参数详解

​参数	​类型	​描述
sockfd	int	已通过 bind() 绑定地址的套接字描述符（必须是 ​SOCK_STREAM 类型）。
backlog	int	已建立连接（完成三次握手）的队列最大长度，决定同时等待 accept() 处理的连接数。

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  核心作用

1. ​转换套接字状态：

   • 将套接字从主动模式​（默认）转为被动模式，使其能够接收客户端的连接请求。
   • 未调用 listen() 的套接字无法调用 accept()。

2. ​管理连接队列：

   • 内核为监听套接字维护两个队列​（具体实现可能因操作系统而异）：
     • ​未完成队列（SYN_RCVD 状态）​：客户端已发送 SYN，但未完成三次握手。
     • ​已完成队列（ESTABLISHED 状态）​：已完成三次握手，等待 accept() 取出。
   • backlog 参数通常指已完成队列的最大长度​（Linux 中默认上限由 /proc/sys/net/core/somaxconn 定义）。

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  使用场景与示例

​1. 服务端启动监听
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// ...绑定地址（bind()）...// 设置监听队列长度为 128
if (listen(server_fd, 128) == -1) {perror("listen() failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);
}// 循环接受客户端连接
while (1) {struct sockaddr_in client_addr;socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addrlen);// ...处理 client_fd...
}

​2. backlog 的合理取值
​经验值：通常设为 SOMAXCONN（系统定义的最大值，如 Linux 默认 4096）。
​调整方法​（Linux）：# 临时修改 somaxconn
echo 4096 > /proc/sys/net/core/somaxconn# 永久修改（需编辑 /etc/sysctl.conf）
net.core.somaxconn = 4096

• ​注意：实际允许的连接数受系统资源和并发模型（如多线程、epoll）影响。

4、accept函数

函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

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  参数详解

​参数	​类型	​描述
sockfd	int	处于监听状态的套接字描述符（由 listen() 设置）。
addr	struct sockaddr*	输出参数，用于存储客户端地址信息（如 IP 和端口）。若不需要可设为 NULL。
addrlen	socklen_t*	输入输出参数：传入 addr 缓冲区的长度，返回实际写入的地址长度。若 addr 为 NULL，可设为 NULL。

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  返回值

• ​成功：返回一个新的已连接套接字描述符​（非负整数），专门用于与客户端通信。

• ​失败：返回 -1，并设置 errno（如 EINTR、ECONNABORTED）。

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  核心作用

1. ​提取连接：从监听套接字的已完成连接队列​（已完成三次握手）中取出一个客户端连接。

2. ​生成新套接字：返回的已连接套接字与客户端一一对应，原监听套接字继续接受其他连接。

3. ​获取客户端地址：通过 addr 参数获取客户端的 IP 地址和端口（可选）。

5、connect函数

函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

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  参数详解

​参数	​类型	​描述
sockfd	int	客户端套接字描述符（由 socket() 创建）。
addr	struct sockaddr*	指向服务端地址结构体的指针（如 sockaddr_in）。
addrlen	socklen_t	地址结构体的长度（单位：字节）。

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  返回值

• ​成功：返回 0，套接字进入已连接状态（TCP）或设置默认地址（UDP）。
• ​失败：返回 -1，并设置 errno 表示错误原因。